Инструментальные материалы в том числе сверхтвердые. Сверхтвёрдые материалы и алмаз

Синтетический алмаз (АС) и кубический нитрид бора (CBN) (торговые марки- эльбор, кубонит, боразон) относятся к сверхтвёрдым материалам (СТМ), твердость которых превышает твердость традиционных абразивных материалов.

Алмаз – самый твёрдый из известных науке материалов, состоящий практически только из чистого углерода (С), атомы которого расположены в виде узкой, высокопрочной трёхмерной матрицы. Алмазы представлены моно- и макрокристаллическими структурами с совершенной спаянностью.
В 1954 году учёными американской компанией «General Electrics» удалось синтезировать из графита алмазы в лабораторных условиях. В 1960 году синтез алмазов был освоен в СССР. В настоящее время объём производства синтетических алмазов в несколько раз превышает объём добычи природных алмазов.Большинство синтетических алмазов имеют монокристаллическую структуру. Возможные формы (морфология) кристаллов синтетических алмазов простирается от кубической формы до формы восьмигранника.Анизотропия твёрдости алмазных граней определяет наименее износоустойчивые направления: в плоской сетке октаэдра – направления, соответствующие высотам треугольных граней; в плоской сетке куба – направления, параллельные сторонам кубических граней. Наибольшей твёрдостью обладают кубические грани. В свою очередь, твёрдость октаэдрических граней больше твёрдости ромбододекаэдрических. Синтетические монокристаллические алмазы по сравнению с природными имеют более острые грани и меньшие радиуса скруглений вершин режущих кромок, чем объясняются их лучшие режущие свойства. Алмаз также имеет наибольший из всех известных материалов модуль упругости (модуль Юнга Е = 900000 МПа). При наибольшей из всех известных материалов прочности на разрыв, предел прочности алмазов при сжатии и изгибе небольшой. Обладая совершенной спаянностью, кристаллы алмаза скалываются, образуя в зависимости от дефектов строения, ровные, ступенчатые или раковистые изломы. Алмазы не смачиваются водой, но прилипают к жировым смесям. Этим свойством руководствуются при выборе типа смазочно-охлаждающей жидкости при шлифовании алмазным инструментом (масляные СОЖ оказывают смазывающее действие на алмазные зёрна, снижая работу трения). Алмаз характеризуется высокой теплопроводностью: она в два-пять раз выше, чем у металлов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет быстрее отводить тепло с поверхности обрабатываемых изделий. Отдельные металлы, например, железо, при температуре более 800 0С частично растворяют алмаз, ограничивая его применение.

Кроме монокристаллических алмазов синтезируются поликристаллические алмазы «карбонадо» и «баллас» идентичные по структуре соответствующим природным алмазам. Путём спекания синтетических алмазов в гранулы цилиндрической или сегментной форм тёмного цвета производятся также поликристаллические алмазы типа «спеки».

Кубический нитрид бора – это искуственный абразивный материал, в основном, состава BN с плотной кубической упаковкой атомов бора и азота в тетраэдрической координации.
Кубический нитрид бора не встречается в природе. Впервые его синтез был произведён в 1957 году американской компанией «General Electrics» в результате экспериментальных поисков новых абразивных материалов. Синтез кубического нитрида бора осуществляется таким же образом, как и производство синтетических алмазов.

Кубический нитрид (КНБ) бора получают из гексагонального нитрида бора a-BN (плотность 2,34 г/см3) при высоких давлении и температуре. Переход гексагонального нитрида бора в кубический сопровождается уплотнением кристаллической решётки в 11,5 раза. На долю основной составляющей кубического нитрида бора (b-BN) приходится более 92 %. Цвет кристаллов изменяется от белого и жёлтого до аметистового и чёрного.
Вследствие более комплексной атомной структуры кубический нитрид бора имеет большее количество форм кристаллов. С одной стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от кубической формы до формы восьмигранника, как у алмазов, с другой стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от формы восьмигранника до формы четырёхгранника.
Шлифовальные материалы из КНБ имеют два вида: с зёрнами с моно- и макрокристаллическими (поликристаллическими) структурами и микрокристаллического гранулометрического состава, полученными спеканием микропорошков. гексагонального или вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ).

Применяемые для лезвийного инструмента синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) являются плотными модификациями углерода и нитрида бора.

Алмаз и плотные модификации нитрида бора, имеющие тетраэдрическое распределение атомов в решетке, являются самыми твердыми структурами.

Синтетический алмаз и кубический нитрид бора получают методом каталитического синтеза и безкатализаторного синтезов плотных модификаций нитрида бора при статическом сжатии.

Применение алмаза и нитрида бора для изготовления лезвийного инструмента стало возможным после их получения в виде крупных поликристаллических образований.

В настоящее время существует большое разнообразие СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора. Они различаются технологией их получения, структурой и основными физико-механическими свойствами.

Технология их получения основана на трех физико-химических процессах:

1) фазовом переходе графитоподобного нитрида бора в кубический:

BN Gp ® BN Cub

2) фазовом переходе вюрцитного нитрида бора в кубический:

BNVtc ® BN Cub

3) спекании частиц BN Cub .

Уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) этих материалов объясняются чисто ковалентным характером связи атомов в нитриде бора в сочетании с высокой локализацией валентных электронов у атомов.

Термостойкость инструментального материала является его важной характеристикой. Приводимый в литературе широкий интервал значений термической устойчивости BN (600–1450°С) объясняется как сложностью физико-химических процессов, происходящих при нагреве BN, так и неопределенностью в какой-то степени термина «термостойкость» применительно к СТМ.

При рассмотрении термостойкости поликристаллических СТМ на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора (они часто являются композиционными и количество связующего в них может достигать 40%) следует учитывать, что их термостойкость может определяться как термической устойчивостью BN и алмаза, так и изменением при нагреве свойств связующего и примесей.

В свою очередь, термическая устойчивость алмаза и BN на воздухе определяется как термической стабильностью фаз высокого давления, так и их химической стойкостью в данных условиях, в основном относительно окислительных процессов. Следовательно, термическая устойчивость связана с одновременным протеканием двух процессов: окислением алмаза и плотных модификаций нитрида бора кислородом воздуха и обратным фазовым переходом (графитизацией), поскольку они находятся в термодинамически неравновесном состоянии.

По технологии получения СТМ на основе алмаза можно разделить на две группы:

1) поликристаллы алмаза, получаемые в результате фазового перехода графита в алмаз;

2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зерен.

Наиболее часто встречающийся размер зерен – примерно 2,2мкм, а зерен, размер которых превышает 6 мкм, практически нет.

Прочность керамики зависит от среднего размера зерна и, например, для оксидной керамики снижается от 3,80–4,20 ГПа до 2,55–3,00 ГПа при увеличении размеров зерен соответственно от 2–3 до 5,8–6,5 мкм.

У оксидно-карбидной керамики гранулометрический состав еще более тонкозернистый, и средний размер зерен Al 2 O 3 в основном меньше 2 мкм, а размер зерен карбида титана составляет 1–3 мкм.

Существенным недостатком керамики является ее хрупкость – чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам. Хрупкость керамики оценивается коэффициентом трещиностойкости – K С.

Коэффициент трещиностойкости K С, или критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, является характеристикой сопротивления разрушению материалов.

Высокие твердость, прочность и модуль упругости, сложность механической обработки и небольшие размеры образцов из СТМ ограничивают применение большинства используемых в настоящее время методов определения коэффициента трещиностойкости.

Для определения коэффициента трещиностойкости – K С СТМ используют метод диаметрального сжатия диска с трещиной и метод определения вязкости разрушения керамики по внедрению индентора.

Для устранения хрупкости керамики разработаны различные составы оксидно-карбидной керамики.

Включение в керамику на основе оксида алюминия моноклинной двуокиси циркония ZrO 2 вызывает улучшение структуры и тем самым заметно повышает ее прочность.

Инструмент, оснащенный поликристаллическими алмазами (ПКА), предназначен для чистовой обработки цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов вместо твердосплавного инструмента.

Композит 01 и композит 02 – поликристаллы из кубического нитрида бора (КНБ) с минимальным количеством примесей – применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, и торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–0,50 мм (максимально допустимая глубина резания 1,0 мм).

Композит 05 – поликристаллы, спеченные из зерен КНБ со связкой, – применяют для предварительного и окончательного точения без удара закаленных сталей (HRC < 60) и чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05–3,00 мм, а также для торцового фрезерования заготовок из чугуна любой твердости, в т. ч. по корке, с глубиной резания 0,05–6,00 мм.

Композит 10 и двухслойные пластины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) – поликристаллы на основе вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ) – применяют для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–3,00 мм, прерывистого точения (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, инородных включений).

Таким образом, инструменты из СТМ на основе нитрида бора и алмаза имеют свои области применения и практически не конкурируют друг с другом.

Износ резцов из композитов 01, 02 и 10 – сложный процесс с преобладанием при непрерывном точении адгезионных явлений.

С увеличением контактных температур в зоне резания свыше 1000°С возрастает роль теплового и химического факторов – интенсифицируются:

– диффузия;

– химический распад нитрида бора;

– фазовый α-переход;

– абразивно-механическое изнашивание.

Поэтому при точении сталей со скоростями 160–190 м/мин износ резко возрастает, а при v > 220 м/мин становится катастрофическим почти независимо от твердости стали.

При прерывистом точении (с ударом) преобладает абразивно-механическое изнашивание с выкрашиванием и вырывом отдельных частиц (зерен) инструментального материала; роль механического удара возрастает при увеличении твердости матрицы обрабатываемого материала и объемного содержания карбидов, нитридов и т. п.

Наибольшее влияние на износ и стойкость резцов при непрерывном точении сталей оказывает скорость резания, при точении с ударом – скорость и подача, при точении чугунов – подача, причем обрабатываемость ковких чугунов ниже, чем серых и высокопрочных.

Порядок выполнения работы

1. Изучите марки и химический состав сталей и сплавов, классификацию сталей по способу изготовления и по назначению в зависимости от содержания хрома, никеля и меди, требования к макроструктуре и микроструктуре, нормирование прокаливаемости. Обратите внимание на порядок отбора образцов для проверки твердости, микроструктуры, глубины обезуглероженного слоя, качества поверхности, излома.

2. Исследуйте микроструктуру образцов стали У10. Оцените микроструктуру термически обработанной стали, проведя исследование под микроскопом МИ-1. Зафиксируйте микроструктуру в компьютере и распечатайте.

При составлении отчета необходимо дать краткое описание теоретических основ строения, свойств материалов для режущих инструментов из инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов. Привести полученные при исследовании под микроскопом МИ-1 фотографии микроструктуры стали У10, в подрисуночной подписи укажите режим термообработки и структурные составляющие. Результаты измерений основных параметров нескольких включений рассматриваемой стали занести в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Контрольные вопросы

1. Классификация материалов для режущих инструментов.

2. Строение и свойства инструментальных углеродистых сталей.

3. Строение и свойства штамповых сталей.

4. Строение и свойства быстрорежущих сталей.

5. Строение и свойства твердых и сверхтвердых инструментальных сплавов.

6. Строение и свойства керамических инструментальных материалов.

7. Структура инструментальных углеродистых сталей.

8. Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов.

9. Износостойкость и теплостойкость режущих инструментов.

10. Чем определяется температура нагрева режущей кромки инструментов?

11. Химический состав и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей.

12. Прокаливаемость углеродистых сталей, балл прокаливаемости, распределение твердости.

13. Влияние содержания углерода на свойства углеродистых инструментальных сталей.

14. Чем определяется температура отпуска инструментов?

15. Горячая твердость и красностойкость быстрорежущей стали.

16. Обратимая и необратимая твердость быстрорежущих сталей.

17. Каким образом структурно создается красностойкость быстрорежущих сталей.

18. Как характеризуется красностойкость, ее обозначение.

19. Режимы термической обработки инструментов из быстрорежущей стали, обработка холодом, многократный отпуск.

20. Стали для горячих штампов, их жаропрочность,термостойкость,вязкость.

21. Рабочие температуры резания инструмента из твердых сплавов.

22. Твердость металлокерамических твердых сплавов, чем она определяется?

23. Стали, применяемые для лезвийного инструмента.

24. Чем объясняются уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) синтетических сверхтвердых материалов?

25. Существенный недостаток керамики.

26. Как оценивается хрупкость керамики?

Лабораторная работа № 4

Исследование зависимостей

состав – структура – свойства Для чугунов

Цель работы: изучение строения, состава и свойств передельных и машиностроительных чугунов; их классификация и применение.

Материалы и оборудование: коллекция нетравленых шлифов чугунов; металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO 3 в спирте).

Теоретическая часть

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и постоянные примеси – кремний, марганец, серу и фосфор.

Чугуны имеют более низкие механические свойства, чем стали, т. к. повышенное содержание углерода в них приводит либо к образованию твердой и хрупкой эвтектики, либо к появлению свободного углерода в виде графитных включений различной конфигурации, нарушающих сплошность металлической структуры. Поэтому чугуны применяются для изготовления деталей, не испытывающих значительных растягивающих и ударных нагрузок. Чугун находит широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Однако наличие графита дает и ряд преимуществ чугунам перед сталью:

– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);

– обладают лучшими антифрикционными свойствами (графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения);

– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);

– чугуны не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям, дефектам поверхности).

Чугуны обладают высокой жидкотекучестью, хорошо заполняют литейную форму, имеют малую усадку, поэтому они применяются для изготовления отливок. Детали, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.

Химический состав и в частности содержание углерода не характеризуют достаточно надежно свойства чугуна: структура чугуна и его основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.

Углерод в структуре чугуна может наблюдаться в виде графита и цементита.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;

2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относят белые чугуны, а ко второй – серые, ковкие и высокопрочные.

По назначению чугуны подразделяют:

1) на передельные;

2) машиностроительные.

Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.

Белые чугуны

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe 3 C. Свое название они получили по специфическому матово-белому цвету излома, обусловленному наличием в структуре цементита.

Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в машиностроении используется редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов при нормальной температуре зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит». Образуется такая структура в результате ускоренного охлаждения при литье.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:

1) на доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3% углерода; состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода, состоят из ледебурита;

3) эаэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода, состоят из перлита, первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:

а – доэвтектический (ледебурит, перлит + вторичный цементит);

б – эвтектический (ледебурит);

в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)

Перлит в белом чугуне наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно распределенных в белой цементитной основе (рис. 4.1, а ). Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ‑ ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4.1, б ).

Структура заэвтектического чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (рис. 4.1, в ). С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.

Похожая информация.

Алмазы характеризуются высокой твердостью, хорошей теплопроводно­стью (А,=137,9... 146.3 Вт/(м К)). Теплостойкость алмазов недостаточно высокая; алмазы начинают графитизироваться при температурах 800...900 °С. Кубический нитрид бора КНБ имеет более низкую твердость по сравнению с алмазом, примерно в три раза меньшую теплопроводность (λ = 41,86 Вт/(м К)). У КНБ значительно более высокая теплостойкость. Преобразование структуры кубиче­ского нитрида бора в графитоподобную гексагональную модификацию начина­ется при температурах 1200...1400°С и резко возрастает при нагреве до

1600...1800°С.

Композиционные материалы (поликристаллы) получают различными способами. Так, алмазные поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) получают пропиткой пористых прессовок, сформированных из алмазных порошков с металлическими покрытиями. По аналогичной технологии получают материалы эльбор-Р из кубического нитрида бора. Для изготовления лезвийного режущего инструмента, например резцов, разработаны композиционные материалы типа ПТНБ из смесей кубического и вюрцитного нитрида бора.

Синтетические алмазы получают из углеграфитовых материалов в специальных камерах высокого давления, изготовленных из высокопрочных материалов. Высокая температура достигается пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.

Заштрихованная область 1 соответствует реальным условиям превращения графита в алмаз в присутствии катализаторных добавок. Полоса со штриховкой 2 показывает границу прямого фазового перехода графита в алмаз.

В статических условиях с применением катализаторов возможно получение кубйче- ской решетки алмаза из слоистой кристаллической решетки графита в условиях высоких давлений и температур (р=5000...7000 МПа, Т- не ниже 1400... 1500 К). Катализаторами являются металлы, которые в процессе синтеза находятся в жидком состоянии и способны растворять углерод в виде частиц со слоистой графитовой структурой. Из этих частиц образуются зародыши новой алмазной фазы.

Рис. 16. Фазовая диаграмма

Углерода «давление–температура»

В промышленности выпускаются разнообразные порошки синтетических и природных алмазов, используемых в различных областях техники.

Алмазные порошки классифицируются в зависимости от метода получения и размера зерен на следующие группы:

1. Алмазные шлифпорошки с размером зерен от 40...50 мкм до 630...800 мкм.Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются следую­щих основных марок: АС2, АС4, АС6, АС 15, АС20, АС32, АС50. Чем выше число, стоящее после индексов АС, тем больше прочность зерен алмазов.

2. Алмазные шлифпорошки с покрытиями поверхности зерен.

Применение покрытий зерен алмазов повышает стойкость инструментови снижает расход алмазов. В качестве стандартных используются следующие виды покрытий зерен:

Покрытие типа К пленкой карбида металла;

Покрытие типа КМ пленками сплавов, содержащих кремний;

Покрытие типа НТ, являющееся карбидо-металлическим;

Покрытие типа А, при котором совокупность агрегатов из нескольких алмазных зерен имеет карбидо-металлическую пленку;

Покрытие типа АН - модификация покрытия А, отличающаяся введением в агрегаты из алмазных зерен дополнительно наполнителя (карбид бора, карбид титана, электрокорунд и др.).

3. Алмазные микропорошки с размером зерен от < 1,0 мкм до 40.. .60 мкм.

Они выпускаются двух разновидностей:

650.. Алмазные микропорошки марок AM из природных алмазов и марок АСМ из синтетических алмазов;

651.. Алмазные микропорошки марок АН из природных алмазов и марок АСН из синтетических алмазов. Они имеют более высокую абразивную способность (на 25...30 %) по сравнению с микропорошками AM и АСМ.

Микропорошки AM и АСМ используют при доводочных работах изде­лий из закаленных сталей, стекла, керамики и др. Для обработки изделий из более твердых материалов (корунда, керамики, природных алмазов и других труднообрабатываемых материалов) рекомендуются микропорошки АН и АСН.

Микропорошки применяются для изготовления абразивных инструментов, а также использования в свободном незакрепленном состоянии в пастах и суспензиях.

Промышленность выпускает микропорошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7 и др. до 1/0 мкм. В обозначении марок числитель показывает максимальный, а знаменатель минимальный размеры основной фракции порошка в микрометрах.

1.2 Контрольные вопросы:

1. Какое строение макромолекул имеют полимеры?
2. Как изменяется строение олигомеров (смол) в процессе отверждения?
3. Какие межмолекулярные взаимодействия имеют место между макромолекулами?
4. Какую надмолекулярную структуру имеют каучуки в высокоэластичном физическом состоянии?
5. Что понимается под цис-конфигурацией макромолекул каучуков?
6. Какое строение имеют графитовые материалы?
7. Какое строение имеют силикатные стекла?
8. Какие окиси промышленных стекол являются стеклообразующими?
9. Какие физические состояния имеет неорганическое стекло при разных температурах?
10. В каком физическом состоянии проводится формование изделий из силикатных стекол?
11. Какое строение имеют стеклокристаллические материалы?
12. Какие катализаторы применяются при получении стеклокристаллических материалов?
13. С какой целью применяется двухступенчатая тепловая обработка стекла при изготовлении стеклокристаллических материалов?
14. Какие химические соединения применяются в качестве абразивных материалов?
15. Какие требования предъявляются к абразивным материалам?
16. Из каких двух составляющих состоят абразивные инструменты?
17. Что понимается под структурой абразивного инструмента?
18. Какие материалы относятся к классу сверхтвердых материалов?
19. На какие разновидности подразделяются сверхтвердые материалы?
20. Какие свойства имеют алмазы и кубический нитрид бора?
21. Что представляют собой композиционные материалы?

2 Практическое занятие № 2 «Определение параметров шлифования неметаллических материалов» (МЕ-3 Обработка шлифованием неметаллических материалов)

Задания к практическому занятию

На практическом занятии студент представляет презентацию (сообщение), подготовленную в рамках самостоятельной и исследовательской работы. Презентация должна содержать: технологические возможности данного вида обработки, ограничения, оборудование, приспособление и режущий инструмент, критерии выбора СОТС, возможные пути автоматизации.

Краткие сведения из теории

Общее понятие о шлифовании

В примитивных случаях применяют твёрдый зернистый песок или более твёрдый наждак, насыпают его на твёрдую поверхность и трут об неё обрабатываемый предмет. Угловатые зерна, катаясь между обеими поверхностями, производят большое число ударов, от которых разрушаются понемногу выдающиеся места этих поверхностей, и округляются и распадаются на части сами шлифующие зерна. Если же одна из поверхностей мягкая, зерна в неё вдавливаются, остаются неподвижными, и производят на второй поверхности ряд параллельных царапин; в первом случае получается матовая поверхность, покрытая равномерными ямками, а во втором - так называемый «штрих», сообщающий поверхности блеск, переходящий в полировку, когда штрих так мелок, что становится незаметным для глаза. Так, при шлифовке двух медных пластинок одной об другую с наждаком, обе получаются матовыми, а тот же наждак, будучи наклеен на поверхность бумаги, сообщит при трении об латунную поверхность блеск.

Хрупкое, твёрдое стекло стирается больше мягкой и упругой металлической пластинки, а порошок алмаза может стирать поверхность самого алмаза и куски кварца можно обрабатывать на точиле из песчаника. Ямки, производимые зёрнами наждака, тем мельче, чем мельче сами эти зерна; поэтому шлифованием можно получать наиболее точно обработанные поверхности, как это делают при шлифовании оптических стекол.

Виды шлифования

Плоское шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;

Ленточное шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей «бесконечными» (сомкнутыми в кольцо) лентами;

Круглое шлифование - обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий.

Круглое шлифование подразделяется на внутреннее (расточка) и наружное. Внутреннее же в свою очередь делится на обычное и планетарное (обычное - отношение диаметра отверстия детали к диаметру образива D=0,9d, планетарное - D=(0,1…0,3)d);

Бесцентровое шлифование - обработка в крупносерийном производстве наружных поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);

Резьбошлифование;

Зубошлифование, шлицешлифование.

Согласно классификации, все сверхтвердые лезвийные материалы на основе плотных модификаций нитрида бора являются композитами. В зависимости от технологии получения, физикомеханических свойств, условий применения они разбиты на определенные группы. Наиболее широкое применение в отечественной металлообработке нашли композит 01 (эльбор-Р), композит 03 (исмит), композит 05, композит 09 (ПТНБ), однослойный и двухслойный композит 10 (гексанит-Р).

Аналогичные и подобные инструментальные материалы на основе модификации кубического нитрида бора (КНБ) созданы и находят применение во многих индустриально развитых странах, причем их применение неуклонно расширяется.

Перечисленные инструментальные материалы отличает высокая твердость, тепловая устойчивость и химическая инертность к черным металлам, т.е. все то, что делает эти прогрессивные инструментальные материалы весьма эффективными на операциях точения, растачивания и торцового фрезерования как гладких, так и прерывистых точных поверхностей деталей основного машиностроительного назначения.

Высокая эффективность применения инструментов, оснащенных поликристаллами композитов, обусловлена уникальным сочетанием их физико-химических характеристик, в числе которых исключительно высокая твердость, высокая теплостойкость и теплопроводность, близкая к теплопроводности твердых сплавов и не снижающаяся при повышении температуры (табл. 6.1). Поли- кристаллический кубический нитрид бора имеет износостойкость в 50 раз выше, чем твердый сплав, и в 10 - 25 раз выше, чем оксидная или нитридная керамика. Данные композиты сохраняют свою прочность при высоких температурах, типичных для обработки закаленных черных металлов с относительно высокой интенсивностью съема материала. Эти инструментальные материалы вступают в химическую реакцию с черными металлами на воздухе и при высокой температуре, что обусловливает их определенные преимущества по сравнению с алмазами и другими традиционными инструментальными материалами.

Области применения различных марок композитов определяются размерами поликристаллов и их физико-механическими характеристиками. Несмотря на разнообразие марок композиты не создают между собой конкуренции, а успешно дополняют друг друга. Имеются нормативные документы, каталоги, методические рекомендации и справочная литература, в которых достаточно полно и широко описаны основные свойства композитов.

Так, композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без ударных нагрузок, деталей из черных металлов любой твердости; композит 03 - для предварительного и окончательного точения чугунов любой твердости; композит 05 - для чистового и получистового точения без ударных нагрузок закаленных сталей и чугунов любой твердости, для торцового фрезерования чугунов; композит 10 - для предварительного и окончательного точения (растачивания) с ударными нагрузками и без них сталей и чугунов любой твердости, для торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов.

В настоящее время освоено промышленное производство композитов на основе нитрида бора с различными свойствами, причем каждый тип инструментального материала обладает преимуществами при определенных условиях обработки.

Существует четыре основные группы материалов, эффективно обрабатываемых модификациями кубического нитрида бора:

• отбеленный чугун; легированный никелем или хромом белый чугун (50...65 HRC);
• закаленные стали и детали с поверхностной закалкой (50... 65 HRC);
• некоторые упрочняемые сплавы (38 HRC);
• некоторые марки серого чугуна (200...220 НВ).

Таблица 6.1

Свойства композитов на основе плотных модификаций нитрида бора (по ТУ 2-035-982-85)

композита	прочности растяжении о„, МПа	Предел прочности при сжатии о сж, МПа	Твердость HV, МПа	Теплостойкость, “С
Композиты 01 и 02			75 000... 80 000
Композиты 05 и 06
Композит 09
Композит 10

При обработке черных металлов твердостью свыше 45 HRC широко применяют черновое и чистовое точение с помощью композитов взамен шлифования. Такие металлы, ввиду недостаточно высокой стойкости традиционных инструментальных материалов, неэффективно обрабатывать, например, твердыми сплавами или режущими керамическими материалами. Использование для этих целей шлифования кругами из электрокорунда представляет собой довольно длительный процесс, характеризующийся низкой интенсивностью съема металла и быстрым износом круга, что ограничивает производительность.

Развитие конструкции инструментов, оснащенных искусственными сверхтвердыми материалами, идет по двум основным направлениям - создание инструментов с механическим креплением цельных, многослойных круглых и многогранных режущих пластин, а также применение перетачиваемых режущих вставок, когда конструкция с механическим креплением пластин практически невозможна.

Твердость синтетического алмаза составляет приблизительно 90... 100 ГПа. Его применяют для изготовления алмазных сверл, резцов, буровых колонок и инструментов для бурения наиболее твердых пород, а также для изготовления наконечников к приборам для измерения твердости и чистоты поверхности.

Наиболее благоприятными условиями для синтеза алмазов является давление 4...6 ГПа и температура 1 125... 1 325°С.

Получать крупные режущие пластины композитов технически достаточно сложно, так как это связано с очень высокой температурой и давлением, которые необходимы для синтеза этих материалов. Поэтому чаще используют более простые по технологии получения инструменты с напайными пластинами из композитов, которые могут перетачиваться несколько раз.

Дальнейшее развитие конструкции режущих инструментов, оснащенных лезвийными сверхтвердыми материалами, идет по направлению расширения возможностей композитов и их применения в условиях автоматизированного производства. Резцы из композитов широко применяют для обработки деталей различной конфигурации на токарных, токарно-револьверных станках, станках расточной группы, а также на многоцелевых станках. Эффективное использование инструментов достигается на жестких высокоточных станках повышенной мощности. Такое оборудование должно обладать достаточной жесткостью, поскольку при точении и растачивании инструментами из композитов имеют место относительно большие силы резания. Вибрации оборудования не допускаются, так как это не только ухудшает шероховатость обрабатываемой поверхности, но и в ряде случаев является причиной выкрашивания режущих кромок. Высокая стойкость и относительно малый износ инструментов из композитов имеют важное значение при обработке на автоматизированных токарных станках, так как число замен инструментов заметно сокращается, а заданные размеры обрабатываемой детали выдерживаются без частого вмешательства оператора. Если загрузку и выгрузку деталей осуществляет робот, то инструменты, оснащенные модификациями композитов вполне пригодны для обработки в условиях безлюдной технологии.